谷歌量子霸权对量子计算的要求 | 智能技术

发布日期:2019-10-20 10:00
关于谷歌量子至上实验的泄漏细节激起了媒体对下一量子计算里程碑的狂热。



谷歌使用了一款名为sycamore的54位处理器来进行量子优势实验。由于一个量子位无法正常运行,因此该实验涉及53个量子位。

谷歌声称已经证明了量子霸权,这是最早也是最热门的里程碑,是走向实用量子计算的漫长道路之一。本应在一本著名的科学杂志上正式登场。取而代之的是,这篇研究论文的早期泄露引发了媒体报道的狂热和一些关于人工智能量子计算机何时准备破解世界计算机安全算法的误解。

量子计算可能严重威胁到数字通信安全性的那一刻,在未来几十年,即使不是几十年。但谷歌的论文泄露的草案可能代表了长期的理论前提的第一个实验证明,专家们说量子计算机在某些任务上甚至胜过最强大的现代超级计算机。这样的量子至上论证是一个期待已久的路标,向研究人员表明他们正朝着有望的实用量子计算机领域走上正确的道路。

“对于那些在量子计算领域工作的人来说,量子优势的实现是一个巨大而非常受欢迎的里程碑,”得克萨斯大学奥斯汀分校的量子科学家Scott Aaronson和一位不参与谷歌研究的量子信息中心主任说。“这并不奇怪,这是我们所有人都期望的,最多在几年内就会出现的情况。”

什么是量子计算?

量子计算利用了量子物理学的规则,这些规则支配着宇宙中的一些最小的粒子,以构建与当今智能手机和笔记本电脑中使用的“经典”计算机芯片截然不同的设备。量子计算机代替经典计算的二进制信息位,它只能存在于两种基本状态中的一种,它依赖于存在于许多不同可能状态的量子比特(量子比特)。这有点像一个经典的计算硬币,它只能“头”或“尾”,而不是一个量子计算大理石,它可以绕着它的“头”或“尾”半球滚动。

因为每个量子位可以容纳许多不同的信息状态,通过量子纠缠连接的多个量子位保证了快速执行复杂计算操作的承诺,这些运算可能在现代超级计算机上花费数千或数百万年。为了建造这样的量子计算机,一些研究实验室一直在使用激光和电场来捕获和操纵原子作为单独的量子位。

加州大学圣巴巴拉分校(university of california,santa barbara)约翰•马丁尼(john martinis)领导的google-ai量子实验室(google-ai quantum lab)等其他研究小组也一直在试验由超导金属环制成的量子比特。正是这种方法使得谷歌和它的研究合作者能够展示基于54个量子位元阵列的量子优势,该阵列呈扁平、矩形排列,尽管一个量子位元有缺陷,并将工作量子位元的数量减少到53个。(谷歌没有回应置评请求。)

“在过去的一两年里,我们有一个非常好的想法,那就是谷歌集团,因为他们在所有的工作中都明确地瞄准了这个目标,”Aaronson说。“他们也走在了硬件建设的前列。”

谷歌的量子霸权实验

谷歌的实验测试了该公司的量子计算设备SyCAMORE是否能够正确地从随机量子电路产生样品,相当于验证随机数发生器的量子版本的结果。在这种情况下,量子电路由一个特定的单量子比特和两个量子比特逻辑运算的随机序列组成,其中多达20个这样的运算(称为“门”)随机串在一起。

悬铃木量子计算设备在三分20秒的时间内对随机量子电路进行了一百万次采样。当团队在经典计算机上模拟相同的量子电路时,发现即使是目前被称为世界上最强大的首脑级超级计算机也需要大约10000年的时间来执行同样的任务。

“在经典的计算机群体中,有很多人不理解量子理论,他们声称量子计算机比经典计算机更强大,”Jonathan Dowling说,他是巴吞鲁日路易斯安那州立大学量子物理与技术组的理论物理教授。“这个实验把一根棍子插进他们的眼睛里。”

“这不是珠峰的顶峰,但它肯定是沿着一个相当大的山峰。”
——Daniel Lidar,南加州大学

在一个连谷歌都没想到会出现的转折点上,一份描述谷歌量子霸权实验的论文草稿提前泄露,当时可能是美国宇航局艾姆斯研究中心(nasa ames research center)的一位研究合作者将该论文上传到了nasa技术报告服务器。如果不是谷歌自己的搜索引擎算法,它可能会在不被忽视的情况下被匆忙地删除,它把它从晦涩的服务器中提取出来,并把它发送给了安卓和其他签署了与量子计算相关的谷歌学者警报的人。

随机数发生器实验似乎是一个任意基准的量子优势,没有太多实际应用。但是,aaronson最近提出,这样一个随机量子电路可以成为一个认证的随机协议的基础,该协议可以证明对某些密码货币和密码协议非常有用。除了这一特定的应用之外,他还建议未来的量子计算实验可以对复杂的系统进行有用的量子模拟,例如在凝聚态物理中发现的那些。

量子计算的下一步是什么?

谷歌的明显成就并不排除另一个研究小组开发一种更好的经典计算算法的可能性,该算法最终解决了比谷歌目前的量子计算设备更快的随机数生成器挑战。但是,即使发生这种情况,量子计算能力也会大大超过经典计算的时间增长。

“经典计算和量子计算之间的赛马将继续下去,”洛杉矶南加州大学量子信息科学与技术中心主任Daniel Lidar说。“最终,因为量子计算机具有足够高的保真度组件,只要我们对某些问题有更好的了解,它就变得更好了,最终,经典计算机就不可能跟上它了。”

谷歌的团队甚至创造了一个术语来描述量子计算在经典计算上有多快:“内文的Law”,不像穆尔定律预测的经典计算能力将大约每两年增长一倍的指数增长。快速通过双指数增长。

新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室研究量子计算机的理论物理学家安德鲁索恩博格(andrew sornborger)说:“如果你(在一张图上)绘制过一个双指数曲线,那么它看起来就像是一条零线,然后你碰到一个盒子的一角,你就直接向上走。”“所以前后,与其说它是一种进化,不如说它更像是在你撞到角落之前和撞到角落之后的一个事件。”

从长远来看,量子计算的指数增长优势有可能改变某些科学研究和实际应用领域。例如,Sornborger预计能够使用未来的量子计算机进行更复杂的模拟,这远远超出了当今最好的超级计算机所能做到的任何事情。

想要:量子纠错

另一个长期的期望是,一个实用的通用量子计算机有一天会破解用来保护计算机安全和互联网的标准数字代码。这一可能性引发了阴谋论者和至少一位美国总统候选人的过早警钟,当时有关谷歌量子霸权实验的消息首次通过英国《金融时报》传出。(越来越多的网上猜测最终促使新加坡国立大学(national university of singapore)博士候选人黄俊业(junye huang)在自己的google drive账户上分享了一份泄露的谷歌论文。)

事实上,美国政府已经采取措施,准备未来的实用量子计算打破现代密码标准的可能性。美国国家标准和技术研究所一直在监督一项挑战密码研究人员开发和测试量子保密算法的过程,这些算法可以继续保持全球通信安全。

当量子计算严重威胁到数字通信的安全性的时候,未来几十年,甚至几十年以后。

表观量子霸权成就只是发展实用量子计算机所必需的许多步骤中的第一步。量子比特的脆弱性使得在执行计算操作时在较长的时间段内保持特定的量子态是具有挑战性的。这意味着很难将大数组中的数千个甚至数百万个量子位拼凑起来,这对于实际的通用量子计算来说可能是必要的。

如此庞大的量子位阵列将需要纠错技术,可以检测和修复多个单独的量子位协同工作中的错误。Lidar说,一个实用的量子计算机需要进行完全的纠错,并证明它本身可以抵抗逻辑运算和量子位测量中的错误,从而真正释放量子计算的力量。

许多专家认为,下一个大量子计算里程碑将是一个成功的演示在一个量子计算设备,也实现量子霸权的纠错。考虑到在最新的实验中展示的量子计算架构是为了适应“表面编码”的纠错,谷歌的团队很好地瞄准了这个目标。但几乎可以肯定的是,随着许多研究人员超越量子霸权,展望下一个里程碑,它将有很多公司在未来的道路上。

“你一步一步地走到珠峰的顶端,”Lidar说。“这不是珠峰的顶峰,但它肯定是沿着一个相当大的山峰。”